關凌云

(中國一重檔案管理部，黑龍江161042)

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金屬復合板界面剪切強度與組元性能關系的研究

關凌云

(中國一重檔案管理部，黑龍江161042)

摘要：通過測定不同金屬復合板中基材及復材純組元材料的拉伸性能、剪切性能及顯微硬度，統(tǒng)計給出了組元材料拉伸性能與剪切性能之間的關系，建立了抗拉強度與顯微硬度之間的關系。通過數(shù)據(jù)回歸建立了金屬復合板界面剪切強度與基、復材純組元性能之間的關系式，利用該關系式可以對金屬復合板的界面剪切強度進行預測。結(jié)果表明，界面結(jié)合良好的金屬復合板界面的剪切強度與基、復材組元的力學性能有直接的關系。

關鍵詞：金屬復合板；金相組織；拉伸強度；剪切強度

金屬復合板兼有基材和復材組元各自的特性，可以滿足不同環(huán)境和使用條件的特殊要求，具有廣闊的應用市場。金屬復合板界面結(jié)合強度可以通過剪切性能進行評價[1-2]，但由于受試樣加工精度、測試裝置的剛度、界面位置以及試樣與卡具之間的間隙的影響，難以精確確定界面的結(jié)合強度。研究發(fā)現(xiàn)，金屬復合板界面處的結(jié)合性能與基、復材組元的力學性能有較大的關系[3-5]。本文通過對金屬復合板界面及組元材料力學性能的測試，給出了組元材料性能與復合板界面剪切強度之間的關系，從而為金屬復合板界面剪切強度的預測提供參考。

1實驗材料及方法

本文使用的材料包括中碳鋼復合板(45/Q345)、耐磨鋼復合板(NM360/Q345)、不銹鋼復合板(304/Q345、316/Q345、316L/Q345、310S/Q345)，各種材料的化學成分見表1。三種復合板經(jīng)表面打磨和清洗，控制初始表面光潔度與潔凈性，復合真空度為0.1 Pa，采用A-B-B-A對稱組坯形式，經(jīng)1 150~1 200℃保溫2 h后，總壓下量75%，熱軋后空冷獲得。

試驗材料的金相試樣經(jīng)機械研磨、拋光后用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，在200MAT光學顯微鏡下進行金相組織及結(jié)合界面形貌觀察。使用Tukon 2100B維氏硬度計測定基材-界面-復材硬度，加載時間為15 s，試驗力為30 N。在靠近金屬復合板結(jié)合界面約0.5 mm處分別切取基材組元、復材組元的拉伸試樣與剪切試樣，避免切取結(jié)合界面，每種材料取拉伸試樣2件，剪切試樣3件，切取結(jié)合界面處剪切試樣3件。分別對復合板基材組元和復材組元進行拉伸試驗及剪切試驗，對結(jié)合界面進行剪切試驗。剪切試樣尺寸及試驗過程按照GB/T 6396—2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》中的要求進行；拉伸試樣的標距為50 mm，平行段長度為65 mm，板寬12.5 mm，板厚4 mm，拉伸試驗按照GB/T228—2002《金屬材料、室溫拉伸試驗方法》標準要求進行。拉伸和剪切實驗使用的設備為CSS-44300電子萬能試驗機。

表1　實驗鋼板的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

(a)Q345R/304復合板 (b)Q345R/45復合板 (c)Q345R/NM360復合板

2 實驗結(jié)果及分析

2.1復合板基復材組元組織及結(jié)合界面特征

試驗用三種復合板的金相組織及結(jié)合界面形貌見圖1。其中圖1(a)為Q345/304復合板，其結(jié)合界面為一條略帶彎曲的曲線，并在結(jié)合界面處零星分布尺寸較小的氧化物；在靠近界面偏Q345R側(cè)存在一條寬約50 μm～150 μm的鐵素體帶，這是由于Q345R發(fā)生了脫碳而形成的；在遠離結(jié)合界面的Q345R為鐵素體和珠光體混合組織；304不銹鋼為奧氏體組織，其中在靠近界面偏304側(cè)存在一條寬約200 μm～300 μm晶間腐蝕帶，這是由于304側(cè)發(fā)生了增碳而形成的。圖1(b)為Q345/45復合板，其結(jié)合界面左右兩側(cè)分別存在一條寬約50 μm～100 μm的珠光體帶和鐵素體帶，氧化物零星分布于鐵素體帶中；遠離結(jié)合界面的Q345R與45#鋼均為鐵素體和珠光體混合組織，但Q345R中鐵素體含量較多，而45#鋼中珠光體含量較多，這是由于其碳含量不同造成的。圖1(c)為Q345R/NM360復合板，由于其化學成分比較相似，Q345R與NM360均為鐵素體和珠光體混合組織，其結(jié)合界面零星分布少量氧化物。

2.2組元材料本身拉伸與剪切性能的關系

通過試驗發(fā)現(xiàn)，組元材料本身的抗拉強度、屈服強度分別與其自身的抗剪強度、剪切屈服強度存在一定的規(guī)律。為進一步發(fā)現(xiàn)該規(guī)律，并能較好的對不同材料的剪切性能進行簡單預測，本文通過大量實驗，并對三種復合板的組元材料本身的拉伸性能與剪切性能進行了總結(jié)，以Q345R/304不銹鋼復合板中Q345R組元材料為例進行表述。Q345R組元材料的拉伸和剪切曲線對比圖見圖2。從圖2可以看出，剪切曲線的變化趨勢和拉伸曲線的變化趨勢相近，但剪切試驗的強度明顯低于拉伸強度。另外，低碳鋼Q345R的拉伸曲線具有明顯的屈服平臺，而剪切曲線表現(xiàn)出連續(xù)屈服行為。本文中對具有屈服平臺的數(shù)據(jù)采用下屈服強度，而對無明顯屈服平臺的剪切曲線來說，采用產(chǎn)生0.2%殘余變形時的應力值作為其剪切屈服極限τ0.2。同時，從圖2中還可以看出，剪切實驗時具有較長塑性變形段，這與其復雜的變形過程有關。

圖2　組元材料Q345R(Q345R/304)

研究發(fā)現(xiàn)[6]，拉伸強度與剪切強度一般來說符合比例關系τ=bσ。因此將材料的剪切強度和拉伸強度利用關系τ=bσ進行擬合(見圖3)，得到材料拉伸強度和剪切強度的關系為：

(1)

(2)

式中，τ0.2為剪切試驗的屈服強度；τc為抗剪強度。

從關系式(1)和(2)可以看出，材料拉伸強度與剪切強度很好地符合線性比例關系。根據(jù)金屬材料的最大剪應力屈服準則，純剪屈服強度與拉伸屈服強度的關系為k=0.5σs[7]，本實驗得到的數(shù)值大約為0.60，這可能是由于在剪切實驗中，剪切部位并非處于純剪切應力狀態(tài)下，而是處于較復雜的三向應力狀態(tài)[8-9]，這種三向應力狀態(tài)導致了實驗值大于理論值。對于灰鑄鐵，有關資料曾通過實驗得出，其抗剪強度與抗拉強度的比值大約在0.6～0.85區(qū)間[8]；對于鋁合金中的1XXX系合金、2XXX和3003合金系的抗剪強度與抗拉強度的比值大約在0.5～0.8區(qū)間[10]，本實驗得到的數(shù)值基本滿足該數(shù)值區(qū)間。另外，0.2%殘余應變的確也存在一定的誤差，因此造成了屈服強度的比值波動較大。

2.3組元材料本身抗拉強度與顯微硬度間的關系

由于檢測硬度方法簡便、迅速又不破壞零件，在有些情況下可以通過測定硬度并利用硬度來推算復合板的抗拉強度[11]。將組元材料本身的抗拉強度與顯微硬度進行線性回歸：

(3)

從式(3)可以看出，材料抗拉強度與硬度大約是3倍以上的關系。我們對材料的抗拉強度與硬度的比值分布作圖分析(如圖4)，從圖4中可以看出比值大都分布在2.6～4.0之間。

2.4復合板界面剪切強度的預測

從圖1可以看出，復合板的宏觀界面并非一個平面(界面為曲線)，而剪切試樣加工時的受剪部位為一個平面，因此界面剪切強度應該是界面兩側(cè)組元材料綜合性能的體現(xiàn)，從而假定界面處剪切強度與基、復材剪切強度的關系滿足下式：

(4)

式中，τi為界面剪切強度；τj為基材剪切強度；τf為復材剪切強度；a為權重系數(shù)。

通過對本試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以回歸得出系數(shù)a為0.55，因此代入式(4)得：

(5)

如果金屬復合板界面達到了良好的結(jié)合，則式(4)中的系數(shù)可以假定為0.5。而從式(5)可以看出，界面剪切強度更接近于基材。金屬復合板界面、基材、復材的抗剪強度對比圖見圖5，從圖5也可以看出，金屬復合板界面剪切強度變化趨勢與基層剪切強度的變化趨勢一致，并且更接近于基材的剪切強度。復合板界面剪切強度應是界面附近兩種組元材料性能的綜合體現(xiàn)。而回歸擬合所用的基材剪切強度為遠離界面且具有鐵素體和珠光體組織(如圖1(a))的宏觀剪切強度，并非界面附近基材側(cè)強度更低的純鐵素體的剪切強度，因此回歸后的權重系數(shù)大于0.5。

圖5　金屬復合板界面、基材、復材的抗剪強度

把式(2)和(3)帶入到(5)中，可得：

(6)

式中，HVj為基材的宏觀硬度；HVf為復材的宏觀硬度。

在實驗中，界面處剪切強度雖然受如軋制力、界面處組織、剪切位置、基復材性能、剪切刀口等諸多因素的影響[9,12]，但是可以通過(5)和(6)式利用復合板組元金屬的剪切強度和硬度對界面結(jié)合強度進行簡單的預測。

很多研究者對冷軋及溫軋后的雙金屬界面結(jié)合機理進行了研究并對結(jié)合強度進行了預測，研究認為雙金屬結(jié)合強度與結(jié)合表面狀況及結(jié)合表面擴展率等方面有著密切的聯(lián)系[13-16]。Vaidyanath等[13]在研究不同溫度下(小于700℃)軟鋼、鋁、鎂、鋅等材料的結(jié)合強度的基礎上提出了以下預測結(jié)合強度的經(jīng)驗公式：

(7)

式中，τi為結(jié)合強度；σs為雙金屬中軟相金屬的屈服強度；Rf為軋制壓下量。

從公式(7)可以看出，金屬結(jié)合強度都與雙金屬中軟相組元的屈服強度有關。經(jīng)試驗測試，Q345抗剪強度約為335 MPa，屈服強度約為385 MPa，304不銹鋼抗剪強度約為435 MPa，屈服強度約為330 MPa。在不銹鋼復合板中，雖然不銹鋼的屈服強度較低，但其抗剪強度較高，可能與奧氏體不銹鋼的加工硬化能力較高有關。因此，在不銹鋼Q345復合板中，可認為Q345為軟相。當軋制壓下量為0.75時，利用公式(7)對熱軋不銹鋼復合板的結(jié)合強度進行預測，預測值比實測值低10 MPa～100 MPa。實際上，對熱軋復合板來說，除了變形量對結(jié)合有影響之外[17-18]，變形溫度[19]、真空度[20]、元素的擴散[20]以及界面處的殘余應力[21]等因素都對結(jié)合強度存在一定的影響。因此，界面結(jié)合強度的預測需結(jié)合塑性力學、熱力學、金屬學等理論進行綜合分析。隨著計算機技術的發(fā)展及其和材料科學的結(jié)合日益緊密，計算機數(shù)值模擬對金屬復合板在不同工藝參數(shù)條件下結(jié)合時的變形、金屬流動規(guī)律和界面力學行為進行半定量甚至定量預測成為可能。

3結(jié)論

通過拉伸和剪切實驗，利用數(shù)據(jù)回歸擬合了具有不同組織的金屬材料的拉伸和剪切性能之間的關系，并利用組元材料的性能對復合板界面剪切強度進行預測。

(1)所研究的金屬材料剪切屈服強度與拉伸屈服強度之間的關系為τ0.2=(0.6091±0.01354)σs，抗剪強度和抗拉強度之間的關系式為τc=(0.6874±0.01173)σb。

(2)所研究的金屬材料抗拉強度與顯微硬度之間的關系為σb=(3.39±0.094)HV。

(3)金屬復合板界面剪切強度與組元材料剪切強度的關系為τi=0.55τj+0.45τf，界面剪切強度與組元硬度之間的關系為τi=1.28HVj+1.05HVf。

編輯陳秀娟

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Research on the Relationship between Interfacial Shear Strength andComponents Properties of Metal Composite Plate

Guan Lingyun

Abstract：The relationship between tensile property and shear property of components materials is obtained by determining tensile property, shear property and microhardness of pure components materials in base material and composite material of different metal composite plates, and the relationship between tensile strength and microhardness is established. The relational expression between interfacial shear strength and pure component property of base material and composite material of metal composite plate is established to predict the interfacial shear strength of metal composite plate. The result shows that there is the direct relationship between interfacial shear strength and mechanical property of base material and composite material components of metal composite plate with good interface.

Key words：metal composite plate; metallographic structure; tensile strength; shear strength

中圖分類號：TG113.25

文獻標志碼：B

作者簡介：關凌云，女。電話：15845621964，E-mail: guan.ly@cfhi.com

收稿日期：2015—11—19